[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及半导体器件及其制造方法，该器件含有在绝缘衬底上形成的TFT(薄膜晶体管)，该衬底由玻璃或类似物组成。

众所周知，薄膜晶体管(下文称TFT)使用薄膜半导体。通过在衬底上形成薄膜半导体和利用该薄膜半导体构成这些TFTs。各种集成电路使用这些TFTs，但特别要注意，电光器件，尤其是有源矩阵型液晶显示器中各象素的开关元件和外围电路部分的驱动元件，都使用TFTs。

这些器件利用的TFTs通常使用薄膜硅半导体。薄膜硅半导体大体上分成两种类型：非晶硅半导体(α-Si)和结晶硅半导体。非晶硅半导体具有低制造温度，用汽相工艺可以相对容易地制造它们，而且它们适用于大批量制造，因为上述原因，它们是最广泛使用的一种类型，然而，和结晶硅半导体相比，它们的物理特性，例如导电率等，是劣质的，因此，极力要建立制造结晶硅半导体TFTs的新方法，以便将来获得更高速的特性。对于结晶硅半导体。已知有多晶硅，微晶硅，包含有结晶硅成分的非晶硅，处于固态结晶和非晶之间的中间态的半非晶硅。

众所周知，用下述方法能获得薄膜结晶硅半导体：

(1)在其形成期间直接形成结晶膜。

(2)形成非晶半导体膜，然后利用激光能量使非晶半导体膜结晶。

(3)形成非晶半导体膜，然后通过加热使其结晶。

然而，方法(1)在技术上难以在整个衬底表面上形成具有满意的半导体特性的均匀膜，另一个缺点是成本高，因为形成膜温度高达600℃以上，不能使用廉价的玻璃衬底。方法(2)存在的第1个问题是激光辐照面积小，例如，从目前最广泛使用的激发物激光器发出的激光造成一个低生产率，而激光器的稳定性不足以保证均匀处理大表面衬底的整个表面，因此认为这种方法是下一代技术。方法(3)比方法(1)和(2)相对优良，它适用大表面积。但是它也要求600℃以上的高加热温度，而当使用廉价玻璃衬底时，它需要降低的加热温度。特别是，在目前使用液晶显示器的情况，不断地向大尺寸屏幕发展，因此也必需使用大尺寸玻璃衬底。当用此方法使用大尺寸玻璃衬底时，在加热处理时产生收缩和翘曲对制造半导体不可避免的是引起掩模对准等精度的降低。因此，产生的主要问题是固有的。特别，在目前最广泛使用的玻璃类型是7059玻璃的情况，翘曲点是593℃，因此，主要缺陷是由用于加热晶化的常规工艺所引起的。除温度问题外，在现在工艺中用于晶化所需加热时间常常达到几十小时或更长，因此需要进一步地缩短时间。

一个较大的问题是下列事实，由于使用这些方法制造结晶硅薄膜取决于同时发生的产生晶核和由此进行的晶体生长，实际上不可能控制微粒的尺寸、取向等。到目前为止，为控制它们进行了很多次努力，作为其中一个例子是日本专利申请公开平(HEI)NO.5-71993所叙述的专利发明。然而，目前象该专利公开所述那样的方法，仍然采用在限制的范围内同时发生地产生的晶核，因此目前不能实现控制薄膜的取向，并且，绝对不能控制微粒的尺寸。

本发明提供一种克服上述问题的方法。具体地，其目的是在涉及非晶硅薄膜的加热晶化的结晶硅半导体薄膜制造方法中，提供一种降低晶化温度又缩短时间的工艺。当然不言而谕，利用本发明的工艺制造的结晶硅半导体，和按现有技术制造的结晶硅半导体相比，有相等或优良的物理特性，而且它可以用于TFT的有源层。

更具体地，提供一种制造结晶硅薄膜的新方法，将代替常规的同时产生晶核的方法，这是一种在较低温度下具有足够高的生产率的制造结晶硅薄膜的方法，其能控制微粒尺寸和相当好地控制取向。

图1．表示结晶硅膜中取向与催化剂元素浓度的关系。

图2．表示解释晶化机理的模型。

图3．表示实施例的制造步骤。

图4．表示结晶硅膜X射线衍射的结果。

图5．表示实施例的制造步骤。

图6．表示结晶硅膜X射线衍射的结果。

图7．表示实施例的制造步骤。

图8．表示实施例的制造步骤。

图9．表示结晶硅膜的膜厚和取向之间的关系。

图10．表示实施例的制造步骤。

图11．表示实施例的外形图。

图12．表示实施例的制造步骤。

图13．是表示硅膜晶体结构的照片。

图14．是表示硅膜晶体结构的照片。

图15．是表示硅膜晶体结构的照片。

图16．是表示硅膜晶体取向的示意图。

图17．是表示硅膜中含镍的浓度。

图18．是硅膜前部的剖面照片。

图19．是表示硅膜结晶机理的示意图。